2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 251 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Dr. rer. nat. Klaus Tilger A+S Consult GmbH, Schaufußstraße 19, 01277 Dresden Zusammenfassung Es wird ein Ausschnitt eines praktischen Workflows dargestellt, mit dem aktuell das PPP-Projekt A7 der VIA-IMC durchgeführt wird. Die VIA-IMC ist einer der Innovationsführer beim Einsatz neuer Planungs-, Bau-, Abrechnungs- und Vermessungsmethoden. Gemeinsam mit A+S wurde und wird ein passgenauer Workflow für das ausführungsbereite Planen und Bauen mit BIM entwickelt. Die Workflows und Lösungen werden sofort in der Praxis sowie am Projekt eingesetzt, validiert, entsprechend reguliert und schließlich standardisiert. Im Vortrag wird der Schwerpunkt auf den technischen Aufbau des SOLL- und IST-Modells mit dynamischen Mengen gelegt. Dazu wird das Infrastructure Information Modelling eingeführt. Das Nachnutzen sowie Zusammenspiel zwischen Planer und Baustelle ist nicht Vortragsbestandteil. 1. Theorie: IIM BIM im Hochbau unterscheidet sich von BIM in der Infrastruktur. Konzepte des Hochbaus sind Teil der Konzepte in der Infrastruktur. Der Fokus verlagert sich auf verteilte heterogene linienhafte Planung mit essenziellem Daten- und Informationsbezug. Projekte werden mit BIM ganzheitlich und vernetzt im Team geplant, gebaut und betrieben. Alle Leistungen werden auf Grundlage fachmodellbasierten Arbeitens sowie auf Grundlage eines gemeinsamen Datenmodells erbracht. Was bedeutet fachmodellbasiertes Arbeiten? Wann, wie und in welcher Tiefe werden Fachmodelle zum Planungsinstrument? Die möglichen Antworten darauf liefern zwei unterschiedliche Ausrichtungen und somit Sichtweisen auf die Aufgabe und spätere Anwendung von Fachmodellen: Abbildung 1: Zwei unterschiedliche BIM-Strategien im Umgang mit Modellen, [1] 252 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Die Workflows zur Fachplanung, Produktion - also der Übergang der Fachplanung zum Fachmodell -, zum Lifecycle 1 der Fachobjekte und Einsatz des Gesamtmodells unterscheiden sich zwischen BIM-3D-CAD und BIM-3D-Planen. Beim BIM-3D-CAD werden Koordinationsmodelle gebildet und verwendet, während beim BIM-3D-Planen keine Koordinationsmodelle erstellt werden und stattdessen immer das zentrale Gesamtmodell zur Anwendung kommt. Abhängig von der jeweiligen Fachplanung, Zielsetzung des Projekts und den verfügbaren Werkzeugen schließen sich beide Ansätze nicht wechselseitig aus und können mit den damit verbundenen Vor- und Nachteilen parallel eingesetzt und ineinander integriert werden. Umsetzungsstrategie (Idee) Abbildung 2: Umsetzungsstrategie des Workflows, [1] • Die Fachdaten werden weiterhin von der jeweilige Fachplanung erstellt, verändert und gepflegt. Somit bleiben die Fachobjekte im jeweiligen Werkzeug des Fachs und beim jeweiligen Fachplaner. Dabei können Fachobjekte in Teilen bei verschiedenen Fachplanern (durch verschiedene Fachdatengegenstände) vorliegen. • Fachdaten werden mit den jeweils geeigneten Datenformaten und Übertragungstechnologien ausgetauscht. • Die Übertragungstechnologie „wächst“ mit der Zeit und umfasst ggf. verschiedene Schnittstellen. IFC stellt hierbei nur eine mögliche Realisierung für ausgewählte Anwendungsfälle dar. Das Gesamtmodell liegt in der Cloud, wird vollständig versioniert und ist somit für alle Beteiligten zentral und gleichermaßen verfügbar. Als Übertragungstechnologie werden werkzeugneutrale Datenaustauschszenarien im Sinne von Open-BIM eingesetzt: 1 Lifecycle beschreibt die Beibehaltung einer weltweit eindeutigen Identifizierung eines Fachobjekts oder einer Information bei Änderung oder Anpassung. Fachobjekte und Information werden somit unabhängig vom konkreten Inhalt zu anderen Fachobjekten und Informationen über diese eindeutige Identifizierung vernetzt 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 253 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Abbildung 3: Beidseitige praktisch eingesetzte Schnittstellen A7, [2] 1.1 Aufbau impliziter 5D-Planungsmodelle Linienhafte Fachobjekte erstecken sich über einen langen Bereich der Infrastruktur. Diese bilden trotz ihrer Ausmaße genau einen Fachplanungsgegenstand. Später beim Planen der Realisierung oder beim Bauen müssen diese in Segmenten (also kleine Scheiben) betrachtet werden. Diese Segmente existieren nicht in der Fachplanung. Zum Lösen dieses Dilemmas wird die Volumensegmentierung eingeführt. Explizite Volumensegmentierung Die explizite Volumensegmentierung generiert feste und in der Planungsphase fixierte Segmente. Das geschieht in vielen Fällen extern, in dem jedem Segment ein Fachobjekt zugewiesen wird. Das führt zur fachlichen Zerlegung eines Fachplanungsgegenstands innerhalb eines Fachobjekts (Damm, Forstschutz, etc.). Damit ist die segmentierte Ansprache möglich, jedoch die Planungsvernetzung zerstört. In der hier beschriebenen Anwendung wird die Volumensegmentierung vom Verhalten des Fachobjekts intern durchgeführt. Die 1-zu-1-Relation zwischen Fachplanungsgegenstand und Fachobjekt bleibt erhalten. Die Segmente bleiben durch Fachintelligenz ebenfalls ansprechbar. Abbildung 4: Explizite Volumensegmentierung, [1] 254 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Implizite Volumensegmentierung Im weiteren Planungsverlauf entstehen Segmente, die der Planer nicht vorhersehen kann. Diese Segmente existieren daher nicht bei der ursprünglichen expliziten Volumensegmentierung. Um die unbekannten Segmente ebenfalls im Modell und damit in Workflows zu integrieren, wird das Konzept der impliziten Volumensegmentierung eingeführt. Die nachträgliche Interpolation von Querprofilstellen und damit das nachträgliche Teilen von Volumen ist für die 4D-Planung oder den späteren Bauprozess notwendig. Diese nachträgliche Volumensegmentierung geschieht nach fachlicher Parametrik in der 4D-Ebene oder in einer Phase, in der die Planung abgeschlossen ist. In beiden Fällen darf die Planung der 3D-Ebene nicht verändert werden. Die Teilung muss mit der gegebenen fachlichen Parametrik also so erfolgen, dass sie das Endergebnis des Fachobjekts (Gesamtvolumen) nicht beeinflusst. Die implizite Volumensegmentierung benötigt eine interne Segmentierung und ist Voraussetzung für die Definition einer individuellen und dynamischen, erst später beim Baufortschritt bekannten Segmentierung des Fachobjekts. Abbildung 5: Implizite Volumensegmentierung, [1] Fachobjekte linienhafter Volumina sollte also durch ihr fachliches Verhalten (Fachintelligenz) in der Lage sein, dynamische Teilungen so vorzunehmen, dass ihre interne Segmentierung die Schnittbereiche der 4D-Planung oder der Ausführung individuell bedient. Dabei bleibt die Einheit des Fachobjekts bestehen und zerfällt nicht in weitere Fachobjekte. Vernetzung zwischen Fachobjekten und Informationen Die Vernetzung von Fachobjekten und Informationen sind essenzielle Merkmale von intelligenten Modellen für den Einsatz im Informationsmanagement und damit essenzielle Merkmale von BIM. Ohne Vernetzung verbleiben lediglich geometrische Repräsentationen von Fachplanungsgegenständen mit ausgewählten alphanumerischen Eigenschaften ohne Bezug zur originären Fachplanung und zu Abhängigkeiten sowie ohne fachliches Verhalten; im schlechtesten Fall entstehen Datenredundanzen. Um das intelligente sowie fachlich spezialisierte Verhalten von Fachobjekten abbilden zu können, ist die Vernetzung essenziell. Sie wird demnach auch bei der impliziter Volumensegmentierung benötigt. 1.2 Integration expliziter Fachmodelle Die Arbeitsweisen von BIM haben sich etabliert. Auch wenn die Fachlichkeit durch fehlende Vernetzung, Parametrik oder durch Zersplitterung verloren geht, müssen die Ergebnisse im 3D-Planen verwendbar und integrierbar sein. Demnach wird im Folgenden die Migration in das 3D-Planen beschrieben. 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 255 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Von Fachplanungen abgeleitete Fachmodelle werden zunächst als unspezifische Fachobjekte mit unspezifischen Eigenschaften interpretiert. Diese unspezifische Fachobjekte müssen dann Anforderung Nutzen über einen Lifecycle eindeutig identifiziert sein, Möglichkeit zur externen Anreicherung und Vernetzung im Gesamtmodell. eine eindeutige Typisierung tragen und Zuweisung zu einem eindeutigen fachlichen Planungsinhalt. alle Eigenschaften in ein datentechnisch widerspruchsfreies normalisiertes Datenmodell übertragen. Möglichkeit der normalisierten Auswertung und zukünftigen KI-Anwendungen. Es ist darauf zu achten, dass auch die Qualitätssicherung der Geometrien erfolgt. Mit diesem Workflow lassen sich Fachmodelle aus nicht BIM-fähigen Werkzeugen (konventionelle Planung) oder abgeleitete Fachmodelle direkt nutzen. Den bearbeiteten Fachobjekten wird so rückwirkend die fachliche Intelligenz wieder hinzugefügt (Workflow des reverse Engineerings). Ergebnis einer Übertragung von Bauwerken und Baugruben im Projekt A7: Abbildung 6: Reintegriertes Bauwerk aus BIM-3D-CAD, [3], [4] 2. Praxis: Dynamisches Gesamtmodell A7 Das SOLL-Modell für die Bauabrechnung entsteht aus fester Bestandsvermessung, Luftbilder des Bestands sowie aus impliziten Volumina des Ober- und Erdbaus wie ungebundene und gebundene Deckschichten, Tragschicht sowie Auf- und Abtrag des Oberbodens. Alle Volumina sind vollständig über der Planung parametrisiert und keine statischen Planungsvolumen. Durch Vernetzung zu einem Terminplan entsteht das 4D-SOLL-Modell. Melden von gebauten Teilen der dynamischen Volumina oder ganzer Fachobjekte (wie Entwässerungsschächte) führen zum digitalen Erfassen des Baufortschritts und damit zum IST-Modell. 256 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Abbildung 7: 5D-SOLL-Modell A7, [3], [4] Darstellung der Features mit Open-BIM-Schnittstellen: Feature Beschreibung Open-BIM-Schnittstellen Trassierung Vollständige Integration und Vernetzung der Trassierung als parametrische Grundlage davon abhängiger Fachobjekte (Achse, Gradiente, Querneigungen). 040, S21, LandXML, TRA/ GRA, OKSTRA, … interne sowie implizite Segmentierung Rekonstruktion der Volumina auf Basis der Fachplanung durch Modellierung an beliebigen diskreten Stationen und somit Realisierung der internen sowie impliziten Segmentierung D66, CARD/ 1-PRO, VES- TRA-QPEX, LandXML, OKSTRA Lifecycle Vollständiger Lifecycle aller Fachobjekte - auch von Importen oder aufgesetzter Fachmodellierung. ISYBAU, CSV, XML, IFC, … Vernetzung Vernetzung für Bildung von fachlichem Verhalten spezieller Fachobjekte (parametrische Vernetzung), innerhalb von Eigenschaften und für die fachliche automatisierte Qualitätssicherung. (offene normalisierte relationale Datenbank) Pläne Integration und Georeferenzierung von Plänen. PDF, ECW, JPG, … Leistungsmeldung Bildung und Umsetzung des Workflows zur Leistungsmeldung und damit qualitätssicherer Aufbau des IST-Modells. Ableiten von abrechenbaren IST-Mengen. (CSV) SOLL/ IST Automatisierte Gegenüberstellung von SOLL und IST sowie Berechnung der jeweiligen Differenzen in Bezug auf Fachobjekte, (Teil-)Mengen und Zeitpunkten. Export IFC 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 257 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Grundlegende Vermessung und DGM Zur Erstellung des DGM wurde eine Befliegung per Drohne der Gesamtstrecke durchgeführt. Diese Aufnahmen galten der großflächigen Bestandserfassung mit Berechnung des vermaschten DGM für notwendige Auf- und Abträge. Die Aufnahmen und Auswertungen erfolgten durch die Plattform AVUS.DIGITAL der VIA IMC. KorFin erstellt aus dem DGM ein dichtes Höhennetz, welches die Vermessung in Echtzeit auswertet. Die Luftbilder dienen als Dokumentation und fließen als hochaufgelöste texturierte Oberfläche in das Gesamtmodell ebenso ein. 2.1 3D-Modellierung Per Vernetzung zu externen Achsen, Gradienten und deren Querprofilen werden alle Volumina der Planung und Abrechnung parametrisch - somit implizit - definiert. Das bedeutet, dass bei externer Änderung einer Abhängigkeit die Planungsvolumina automatisch nachgeführt werden. Ausgangspunkt sind Querprofilflächen oder Querprofillinien mit oder ohne Punktsemantik, die einzeln oder kombiniert Querprofilflächen ergeben. Damit wird zwischen zwei Querprofilflächen innerhalb eines Segments genau ein gültiger Volumenkörper gebildet, der stets einen positiven Volumenwer t besitzt. Der gesamte Prozess der Volumenberechnung ist mathematisch validiert und garantiert die Belastbarkeit der Volumenwerte. Die Segmente werden innerhalb genau eines Fachobjekts mit eindeutiger fachlicher Klassifikation gehalten. Ergebnis der schichtweisen vollständig baufähigen geplanten Volumina: In dieser Phase können die Ergebnisse mit Volumenberechnung und Klassifizierung als IFC, CPIXML oder in einer Datenbankstruktur ausgegeben werden. Ein direktes Fortfahren in externen Workflowpipelines ist garantiert. Abbildung 8: Fachobjekte des Erd- und Oberbaus (Straße) mit interner impliziter Segmentierung, [3], [4] 258 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) 2.2 Querprofile und freie Modellschnitte Querschnitte müssen an jeder beliebigen Stelle einer Trassierung berechenbar sein. Innerhalb dieser Querschnitte müssen die Querprofile der Planung sowie die Schnitte aller Fachobjekte an diesem Querschnitt vorhanden sein. Durch Überlagerung der Fachplanung (Trassierung und Querprofile) mit der Ableitung der Planung (Volumenkörper der Segmente) wird die Qualitätssicherung im Querschnitt durchgeführt: Damit sind auch algorithmische Entscheidungen zur Vermaschung und Einteilung von positiven und negativen Volumenkörpern sowie die Überlagerung von externen Fachmodellen wie Baugruben und KIBs ersichtlich. Abbildung 9: Querprofil innerhalb des Gesamtmodells mit Fachplanung und Modellschnitt, [3], [4] Abbildung 10: Kombination von externen Fachmodellen im Querschnitt, [3], [4] 2.3 4D-SOLL-Modell Werden die Fachobjekt mit stabilem Lifecycle mit 4D- Vorgängen des Terminplans vernetzt, entsteht das 4D- SOLL-Modell. Die Vernetzung geschieht über virtuelle Teilmodelle des Gesamtmodells: 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 259 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Abbildung 11: Prinzip der Vernetzung von 3D-Ebene mit 4D-Ebene, [1], [4] 2.4 Vernetzte 3D-, 4D- und 5D-Auswertung Straße Modellbasierte Mengen sind Maße, die direkt aus den Fachobjekten mit ihren modellierten Geometrien abgeleitet werden. Sie entsprechend damit stets der in Fachmodelle umgesetzten Fachplanung. Geschieht die Umsetzung dynamisch, sind damit auch die modellbasierten Mengen konsistent zur Fachplanung und in ihrer Berechnung qualitätsgesichert. Das 5D-Gesamtmodell hat durch die integrierte Vernetzung Zugriff auf alle Teilaspekte der gesamten Planung. Die Informationen sind jeweils eindeutig und konsistent. Es können nun zeitbasierte Auswertungen erfolgen: Damit geschieht die Berechnung der Volumen- und Volumenteilwerte on-the-Fly. Der Volumenteil wird aus dem 4D-Zeitverhalten der vernetzten 4D-Vorgänge und unter Berücksichtigung impliziter Segmente durch den aktuellen Zeit- und Ausführungsstand sowie ausschließlich auf der Planungsparametrik bestimmt. Damit ergeben sich modellhafte Mengen zu Volumenteilen sowie Stationsbereiche, die zu bestimmten Zeitbereichen gebaut sein sollten (SOLL). Figure 13: Details eines 4D-Modellteils, [3] Abbildung 12: 5D-Auswertung über gegebenes Zeitintervall A7, [3], [4] 260 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) 2.5 4D-IST-Modell (mit Mengen) Eine Leistungsmeldung ist erforderlich, um den angefallenen geplanten Mengen und Kosten (SOLL) die tatsächlichen Leistungen (IST) gegenüberstellen, eine belastbare kurzfristige Ergebnisrechnung erstellen sowie damit das operativen Baustellenergebnis ausweisen zu können. Neben dem SOLL (aktuell bekannt) und IST (tatsächlich festgestellt) kann das Budget kontrolliert und ggf. eine Prognose (Forecast) abgegeben werden. Die VIA IMC meldet modellbasiert den IST-Zustand über das Gesamtmodell. Damit wird die IST-Information von der Baustelle im Gesamtmodell erfasst. Neben Fachobjekten und Teilmengen werden auch Vorgänge fertiggemeldet. Wird kein Vorgang angegeben, ergibt sich der SOLL-Zeitpunkt der Bauleistung aus dem vernetzten Vorgang zum jeweiligen Fachobjekt. Abbildung 14: Prinzip: IST-Gebaut-Meldung (Leistungsmeldung), [1] 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 261 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) IST-Gebaut-Meldung: Praxisbeispiel Abbildung 15: Praktische IST-Gebaut-Meldung (Leistungsmeldung), [1], [4] Der „Melder“ wählt die entsprechenden Segmente der entsprechenden Fachobjekte (Plus/ Minus in der Abbildung) direkt im SOLL-Gesamtmodell. Die Auswahl einer Gesamtmeldung ist gelb, bereits gemeldete Teile sind grün, doppelt gemeldete Teile sind rot. 2.6 SOLL-/ IST-Vergleich Der Benefit eines technisch korrekten SOLL-Modells zusammen mit der Erfassung eines regelmäßigen IST- Zustands ergibt sich nun sofort aus der maschinellen Gegenüberstellung von SOLL und IST. Im Ergebnis werden SOLL-Modell, IST-Modell (grün), Modell der Bauverzüge (rot) und Modell der zukünftig schon erbrachten Leistungen (gelb) zu einem beliebigen vergangenen, aktuellen oder zukünftigen Datum in Echtzeit visualisiert. Nur IST-Auswertung: Beispiel Die Fertigstellung wird für jedes Planungsvolumen an einem vergangenen oder zukünftigen Datum ausgewertet. Diese Fertigstellung wird aus den Mengen bezüglich gebauter Längen, Flächen oder Volumen berechnet oder aus der Einschätzung des Bauleiters ermittelt. Da der IST-Bereich der Fertigstellung nicht dem SOLL- Bereich der Planung entsprechen und trotzdem eine belastbare Aussage zu Teilvolumina ermittelt werden muss, muss zwangsläufig eine implizite Segmentierung verwendet werden. 262 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Implizite 5D-Volumenmodelle für die modellbasierte Leistungsmeldung beim Bau der A7 (PPP) Abbildung 16: Auswertung IST-Modell, [3], [4] Anwendungsfall SOLL/ IST-Vergleich Es werden geplante Aktivitäten, geplante Teilmengen und geplante Teilkosten den tatsächlich durchgeführten Aktivitäten, verbauten Teilmengen und darauf beruhenden tatsächlich anfallenden Kosten gegenübergestellt. Eine Analyse je Fachobjekt stellt die vernetzten Informationen zur Planung (SOLL-Gesamtvolumen), mittels Terminplan und Zeitverhalten (SOLL-Teilvolumen) sowie tatsächlichem IST (IST-Teilvolumen) gegenüber. Das Ergebnis ist eine Aussage zum möglichen Rückstand. Abbildung 17: Beispiel SOLL/ IST Auswertung eines Auftrags, [3], [4]